田嬌嬌 任思成 湯東博

（1.鄭州大學(xué)水利科學(xué)與工程學(xué)院，河南 鄭州 450001；2.水利與環(huán)境國家及實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心，河南 鄭州 450001）

近些年來降雨的不規(guī)律性、突發(fā)性、難以預(yù)測(cè)性，給城市發(fā)展建設(shè)帶來了不可估量的損失，但是受到了各種社會(huì)現(xiàn)實(shí)因素的制約，大型的海綿城市試點(diǎn)開展依舊較少。海綿校園的建設(shè)如果取得了成效，將會(huì)給在校師生的生活帶來很大的便利，由點(diǎn)及面，也會(huì)給海綿城市的建設(shè)提供一個(gè)不錯(cuò)的方案，由此，小隊(duì)以鄭州大學(xué)為例進(jìn)行海綿校園實(shí)驗(yàn)仿真。調(diào)查了解到鄭州大學(xué)的下墊面情況十分復(fù)雜，在宿舍區(qū)以及教學(xué)區(qū)下墊面硬化嚴(yán)重，每到雨季，學(xué)生從宿舍區(qū)到教學(xué)區(qū)都會(huì)十分困難。下墊面硬化嚴(yán)重，管道老化，排水能力不足都是地面大量積水的原因。因此我們小組決定以鄭州大學(xué)為例，選取其中的菊?qǐng)@生活區(qū)來論證海綿校園在鄭州大學(xué)的可實(shí)施性。

1 研究區(qū)域概況

鄭州大學(xué)新校區(qū)選址于鄭州市西邊的高新技術(shù)開發(fā)區(qū)內(nèi)，鄭州高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)開發(fā)區(qū)位于鄭州市西北部，南臨西流湖，北接邙山，東與環(huán)城快速路聯(lián)，西四環(huán)穿區(qū)而過，距市中心約12 km，南距310國道2 km，北鄰連霍高速公路，對(duì)外交通條件優(yōu)越。鄭州市屬北溫帶大陸性季風(fēng)氣候，冷暖氣團(tuán)交替頻繁，春夏秋冬四季分明。冬季漫長(zhǎng)而干冷，雨雪稀少；春季干燥少雨多春旱，冷暖多變大風(fēng)多；夏季比較炎熱，降水高度集中；秋季氣候涼爽，時(shí)間短促。全年平均氣溫15.6 ℃；

8月份最熱，月平均氣溫25.9 ℃；1月份最冷，月平均氣溫2.2℃，全年平均降雨量542.2 mm。整個(gè)新校區(qū)規(guī)劃整個(gè)新校區(qū)規(guī)劃由西四環(huán)、科學(xué)大道、長(zhǎng)椿路和蓮花街圍合而成，南北長(zhǎng)約2 100 m，東西寬約1 100 m；主要包括辦公樓、教學(xué)樓、宿舍樓、餐廳、廣場(chǎng)、操場(chǎng)、道路和綠地等，總面積284.4 hm2，其中綠地總面積約為113.4 hm2，綠地率約為40%。從七月下旬到八月上旬是鄭州雨季，6—8月的降水量達(dá)到322.1 mm[1]。鄭州大學(xué)位于鄭州市西四環(huán)附近，其氣候特征和鄭州市基本吻合。實(shí)地調(diào)查的結(jié)果顯示鄭州大學(xué)校園雨后內(nèi)澇最嚴(yán)重的地方是菊?qǐng)@和柳園，其中柳園的試點(diǎn)宿舍在翻新之后，雨后的積水情況也得到了改善，而在菊?qǐng)@卻不同，每當(dāng)雨季來臨，宿舍樓之間的人行道上內(nèi)澇問題非常嚴(yán)重，路面上的積水已經(jīng)嚴(yán)重的影響了菊?qǐng)@學(xué)生的日常通行問題，極具代表性。其中菊?qǐng)@生活區(qū)由河園西路、亭云路、秋實(shí)路、厚德大道圍合而成，包括6棟學(xué)生公寓，一個(gè)食堂以及一個(gè)澡堂。所有的建筑物都是由不透水材料制成的，為灰色設(shè)施，菊?qǐng)@生活區(qū)以灰色設(shè)施為主，僅有少量區(qū)域?yàn)榫G色設(shè)施，菊?qǐng)@占地面積為37 500 m2，綠色設(shè)施占地面積為2 250 m2，僅為菊?qǐng)@生活區(qū)的6%，部分草地等綠色設(shè)施停放大量自行車等交通工具，頻繁踩踏、壓實(shí)，甚至成為人行通道，導(dǎo)致雨水下滲率降低，當(dāng)降雨稍強(qiáng)就會(huì)匯集，形成大面積積水。道路大多以柏油路、水泥路為主，透水路面面積小，極大地改變了天然情況的下墊面條件，導(dǎo)致雨水下滲受阻，產(chǎn)匯流時(shí)間縮短，洪峰形成時(shí)間縮短以及排雨量增大，加劇了排水管道工作壓力路面低洼不平，地勢(shì)高低不平，路面不平整的問題，使雨水集中在低洼處，部分路段的少量雨水滿溢過雨水口，最終聚集在地勢(shì)相對(duì)較低的區(qū)域。鄭州大學(xué)建成于2000年，菊?qǐng)@生活區(qū)管網(wǎng)設(shè)施（圖1）僅能滿足20年前鄭州大學(xué)的排水蓄水要求，隨著時(shí)間的推移，管道逐漸老化，降雨強(qiáng)度也與以前大不相同，雨水井以及排水口數(shù)量較少，現(xiàn)有的管網(wǎng)系統(tǒng)已經(jīng)不能滿足現(xiàn)在的需求[2]。

2 實(shí)體模型建立

2.1 研究區(qū)域概化處理

項(xiàng)目起初是通過建立微縮版的鄭州大學(xué)模型模擬現(xiàn)實(shí)的不同雨強(qiáng)下校園內(nèi)澇問題，但是團(tuán)隊(duì)通過對(duì)鄭州大學(xué)的實(shí)地調(diào)查及討論，研究決定運(yùn)用鄭州大學(xué)菊?qǐng)@生活區(qū)的微縮模型代替，原因有2點(diǎn)。1）如果建立一個(gè)鄭州大學(xué)的微縮模型，比例較大，建成的模型小，水的張力及毛細(xì)作用將導(dǎo)致模型的部分區(qū)域不發(fā)生產(chǎn)匯流，模擬與實(shí)際情況不符。2）以鄭州大學(xué)整體為模型無法顧及一些細(xì)節(jié)區(qū)域，會(huì)導(dǎo)致誤差較大，且產(chǎn)生的模型費(fèi)用較高，超出預(yù)計(jì)。所以選擇鄭州大學(xué)校園內(nèi)的典型區(qū)域——菊?qǐng)@生活區(qū)為模型參照，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)仿真。

取菊?qǐng)@為鄭州大學(xué)代表地區(qū)，通過300 ∶1還原制作菊?qǐng)@降雨排水模型，對(duì)校園旱澇情況進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)。并在此基礎(chǔ)上，對(duì)其地表排水機(jī)制和地下排水機(jī)制進(jìn)行重新改善，以實(shí)現(xiàn)構(gòu)建海綿校園的設(shè)想。

造成校園內(nèi)澇的原因之一是生活區(qū)綠色設(shè)施較少，下墊面透水性太差以及校園的排水系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計(jì)不合理，蓄水空間有限，所以解決內(nèi)澇的關(guān)鍵在于解決地面積水（水不下排）和蓄水空間不足的問題。在制作模型的過程中用泡沫代替泥土，由于模型空間的限制，泡沫相比于實(shí)際泥土更具有可塑性，有利于設(shè)計(jì)管路，規(guī)劃空間。同時(shí)不像泥土容易潰散，不會(huì)給實(shí)驗(yàn)帶來麻煩。此外，泡沫兼具反映實(shí)際情況的真實(shí)性，通過對(duì)地面排水路徑的創(chuàng)新設(shè)計(jì)來改善路面排水結(jié)構(gòu)并解決地面積水問題。在保證與實(shí)際情況契合的基礎(chǔ)上，我們將蓄水空間和排水路徑簡(jiǎn)化，使實(shí)驗(yàn)更具有可操作性。

2.2 實(shí)體模型建立

模型制作材料：模型的外殼是用亞克力板粘接而成的一個(gè)1400 mm×1000 mm×800 mm的1個(gè)無蓋長(zhǎng)方體（該文稱其為模型箱）、一體式泡沫板、2個(gè)功率60 W和揚(yáng)程3 m的水泵、5個(gè)可控制出水量噴頭、8個(gè)PVC建筑模型、30 mm厚土壤、5 000 mm2的綠化帶、不定額透水路面。模型垂向空間分布從上至下包括降雨裝置、地面建筑、下墊面、地下管網(wǎng)、基底泡沫板、蓄水區(qū)、模型箱、供水與抽水系統(tǒng)8個(gè)部分組成。模型箱運(yùn)用透明亞克力板，實(shí)現(xiàn)可視化，其中3個(gè)側(cè)板都開有小孔，小側(cè)板開孔距離頂部20 mm，直徑10 mm，大側(cè)板上部開孔距離頂部30 mm，直徑20 mm。側(cè)板小孔用于通小徑水管噴頭，設(shè)置了5個(gè)可開閉噴頭，連通外側(cè)水泵，模擬鄭州市降雨，可開閉用于控制雨量，對(duì)應(yīng)鄭州市降雨，分別計(jì)量徑流深為的降雨。大側(cè)板用于通出水管，出水管與模型箱內(nèi)固定放置的水泵連接，水泵有滲漏板包圍。模型箱內(nèi)鋪有整塊100 mm厚的泡沫板，作為模型基底，泡沫板上鋪下墊面材料，包括30 mm土壤、500 mm2綠化帶、透水路面、不透水路面以及水溝渠道等?？盏厣线€設(shè)置了成比例縮小的菊?qǐng)@建筑模型。泡沫板下方留有200 mm高的蓄水空間，作為蓄水區(qū)，模擬鄭大校園內(nèi)眉湖。實(shí)體模型示意圖如圖2所示。

圖2 模型示意圖

3 實(shí)驗(yàn)仿真

3.1 實(shí)驗(yàn)流程

當(dāng)外置水泵開始工作時(shí)，連通模型箱正上方的雨水噴灑裝置，通過控制噴頭開閉個(gè)數(shù)與噴頭孔口大小控制降雨量，雨水到達(dá)路面后，會(huì)通過土壤、綠化帶等處下滲，當(dāng)降雨量大于下滲率時(shí)，產(chǎn)生的地面徑流匯集到預(yù)設(shè)渠道、水溝，下滲雨水、地面徑流、地下徑流雨水均會(huì)匯入模型箱下方的蓄水區(qū)；當(dāng)蓄水區(qū)高于水泵高度水位100 mm后，箱內(nèi)水泵開始工作，用作出水口。模型按上述流程進(jìn)行實(shí)現(xiàn)循環(huán)。

3.2 實(shí)驗(yàn)方案

3.2.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

查找并統(tǒng)計(jì)整理鄭州歷年降雨資料資料顯示，鄭州市降雨集中在每年的5～8月，。最新一年統(tǒng)計(jì)鄭州市降雨中，七月降雨量最多為122 mm，最大日降雨量為48.4 mm。以最大日降雨量為基準(zhǔn)，5個(gè)噴頭設(shè)置降雨量0 mm～50 mm，菊?qǐng)@路面均為不透水路面，按比例縮小的模型綠色設(shè)施面積為67 200 mm2（面積占比6%），蓄水空間的最大蓄水量對(duì)應(yīng)的雨強(qiáng)為100 mm。通過噴頭孔的開度控制雨強(qiáng)，同時(shí)調(diào)整5個(gè)噴頭的開度，設(shè)置5組實(shí)驗(yàn)，雨強(qiáng)分別控制在0 mm～10 mm、10 mm～20 mm、20 mm～30 mm、30 mm～40 mm、40 mm～50 mm 5個(gè)區(qū)間段，改變綠色設(shè)施面積（增加綠化帶、鋪裝透水磚）、增加排水管個(gè)數(shù)，觀察模型的吸水、釋水能力。

3.2.2 實(shí)驗(yàn)記錄

小隊(duì)模型實(shí)驗(yàn)記錄見表1。

3.2.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)論

實(shí)驗(yàn)記錄顯示，當(dāng)單日雨強(qiáng)小于30 mm時(shí)，目前模型綠色設(shè)施面積為6%即可達(dá)到吸水和釋水要求；當(dāng)雨強(qiáng)超過30 mm時(shí)，小于8%的綠色設(shè)施面積不能達(dá)到要求；當(dāng)雨強(qiáng)超過40 mm時(shí)，綠色設(shè)施面積需要超過10%才能達(dá)到要求?？梢姡诓桓淖兤渌麠l件的情況下，至少將綠色設(shè)施的面積增加到10%，即將綠色設(shè)施的面積增加到0.112 m2，實(shí)際菊?qǐng)@生活區(qū)的綠色設(shè)施面積增加到3 750 m2。

4 結(jié)論

在實(shí)地調(diào)查和實(shí)驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)，地面的低洼不平和地勢(shì)高低不平會(huì)使積水滯留在路面的低洼處，所以增加地面的平整度，減少地面的坑洼是必要的，其次在不影響在校師生日常通行的情況下，在路面施工時(shí)，中間比兩邊略高，使地面徑流能夠延傾斜路面排至道路兩側(cè)的導(dǎo)水渠道中集中排出。在降雨強(qiáng)度較小的情況下，地面徑流只在道路兩側(cè)，不影響道路中部的通行。

綠色設(shè)施占比少是菊?qǐng)@生活區(qū)內(nèi)澇的一個(gè)重要的原因，適當(dāng)?shù)卦黾泳G色植物所占的面積，可以增加植物對(duì)降雨的截留以及雨水的下滲；也可使用新型的透水磚，增加地面下滲率。如果將所有的不透水路面都鋪設(shè)成透水磚，會(huì)大大地增加建設(shè)的成本，先將徑流引向兩側(cè)，在道路兩側(cè)鋪設(shè)透水磚，使積水下滲，既可以減少地面積水，也比較經(jīng)濟(jì)實(shí)惠。

管道的老化以及排水井?dāng)?shù)量較少也是一個(gè)重要的影響因素，大量的雨水都是通過管網(wǎng)設(shè)施排出，適當(dāng)?shù)脑黾优潘臄?shù)量，或適當(dāng)?shù)卦黾釉艿赖闹睆?，可以增加校區(qū)的蓄水排水能力。

海綿城市建設(shè)是一個(gè)復(fù)雜的過程，規(guī)劃制定與工程實(shí)施橫跨多個(gè)部門、多個(gè)學(xué)科與領(lǐng)域。而目前的研究多從規(guī)劃、建筑、土木與水利等理工科視角進(jìn)行，而在一定程度上忽視了文化、社會(huì)與經(jīng)濟(jì)等部門和學(xué)科的作用。校園作為城市的一部分，也面臨著城市所面臨的問題，海綿校園的建設(shè)相比于海綿城市，更簡(jiǎn)單，更具有可行性，且建設(shè)周期短。海綿校園的成功建設(shè)不僅可以解決在校師生的生活問題，也會(huì)為海綿城市的建設(shè)提供一個(gè)方案。所以，建設(shè)海綿校園，有利于全方位打造海綿城市，促進(jìn)海綿城市發(fā)展[3]。